⚛️ high-energy experiments

Study of ZZ and ZH production in the bb $\tau\tau$ final state and search for high-mass spin-0 and spin-1 resonances in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS प्रयोग द्वारा $\sqrt{s}$ = 13 TeV पर 138 fb $^{-1}$ प्रोटॉन-प्रोटॉन टकराव डेटा का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन $bb\tau\tau$ अंतिम अवस्था (final state) में गैर-अनुनादी (nonresonant) ZZ और ZH उत्पादन का पहला मापन प्रस्तुत करता है और इन चैनलों में क्षय होने वाले भारी स्पिन-0 और स्पिन-1 अनुनादों पर पहली ऊपरी सीमाएं निर्धारित करता है, जिसमें मानक मॉडल से परे भौतिकी का कोई प्रमाण नहीं मिलता है।

मूल लेखक: CMS Collaboration

प्रकाशित 2026-07-03

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CC BY 4.0

मूल लेखक: CMS Collaboration

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि CERN में स्थित लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) दुनिया का सबसे शक्तिशाली पार्टिकल स्मैशर (कणों को टकराने वाली मशीन) है। इसके अंदर, यह प्रोटॉन की दो बीमों को लगभग प्रकाश की गति से एक-दूसरे की ओर दागता है, जिससे सूक्ष्म कणों का एक अराजक विस्फोट होता है। CMS प्रयोग एक विशाल, अत्यंत संवेदनशील 3D कैमरे की तरह है जो उस विस्फोट में क्या होता है, उसकी तस्वीर लेने की कोशिश कर रहा है।

यह विशिष्ट शोध पत्र एक बहुत ही कठिन "फोटो हंट" (तस्वीर खोजने के अभियान) की रिपोर्ट है। वैज्ञानिक दो विशिष्ट प्रकार के कण युग्मों (particle pairs) की तलाश कर रहे थे जो पहचान में आने में बहुत कठिन हैं क्योंकि वे "शोर" (अन्य सामान्य कणों) के समुद्र में छिप जाते हैं।

यहाँ उनके मिशन, चुनौतियों और उनकी खोजों का विवरण सरल उपमाओं (analogies) का उपयोग करते हुए दिया गया है:

1. मिशन: "घोस्ट" (भूतिया) कणों की खोज

वैज्ञानिक उन घटनाओं की तलाश कर रहे थे जहाँ एक Z बोसॉन (एक भारी कण) और एक हिग्स बोसॉन (प्रसिद्ध "गॉड पार्टिकल") एक साथ उत्पन्न हुए हों, या जहाँ दो Z बोसॉन एक साथ उत्पन्न हुए हों।

चुनौती क्या थी? वे सीधे Z या हिग्स बोसॉन की तलाश नहीं कर रहे थे। वे उन "पदचिह्नों" की तलाश कर रहे थे जो वे पीछे छोड़ते हैं:

दो b-क्वार्क्स: भारी कण जो अन्य कणों के "जेट्स" में बदल जाते हैं (जैसे एक पटाखा जो चिंगारियों में फट जाता है)।
दो ताऊ लेप्टॉन्स: इलेक्ट्रॉन के भारी चचेरे भाई जो बहुत तेज़ी से अन्य कणों में टूट जाते हैं (जैसे एक भूत जो दिखने से पहले ही गायब हो जाता है)।

उपमा: कल्पना कीजिए कि आप एक घने जंगल में एक विशिष्ट दुर्लभ पक्षी को खोजने की कोशिश कर रहे हैं। आप पक्षी को स्वयं नहीं देख सकते। इसके बजाय, आप दो विशिष्ट प्रकार के पंखों (b-क्वार्क्स) और जमीन पर छोड़े गए दो विशिष्ट प्रकार के पदचिह्नों (ताऊ लेप्टॉन्स) की तलाश कर रहे हैं। समस्या यह है कि जंगल अन्य पक्षियों से भरा है जो समान दिखने वाले पंख और पदचिह्न छोड़ रहे हैं, जिससे यह बताना कठिन हो जाता है कि आपने अपना लक्ष्य पाया है या केवल एक सामान्य गौरैया।

2. रणनीति: शोर को छाँटना

इन दुर्लभ घटनाओं को खोजने के लिए, टीम को 138 "इन्वर्स फेम्टोबार्स" के डेटा को फ़िल्टर करना पड़ा। इसे अरबों टक्करों वाली "किताबों" वाला एक विशाल पुस्तकालय मान लीजिए।

उन्होंने दो तरफा दृष्टिकोण अपनाया:

"रिज़ॉल्व्ड" (Resolved) खोज: उन कणों की तलाश करना जो बिखरे हुए हैं, जैसे भीड़ में चल रहे दो अलग-अलग लोग।
"बूस्टेड" (Boosted) खोज: उन कणों की तलाश करना जो अविश्वसनीय रूप से तेज़ चलने के कारण एक साथ दब गए हैं, जैसे दो लोग इतनी तेज़ दौड़ रहे हों कि वे एक एकल रेखा (streak) में धुंधले दिखाई दें।

उन्होंने उन्नत कंप्यूटर "न्यूरल नेटवर्क" (कृत्रिम बुद्धिमत्ता का एक प्रकार) का उपयोग किया, जिसे एक सुपर-स्मार्ट बाउंसर के रूप में प्रशिक्षित किया गया था। यह बाउंसर हर घटना की जाँच करता है और पूछता है: "क्या ये कण दुर्लभ Z और हिग्स बोसॉन की तरह दिखते हैं, या ये केवल बैकग्राउंड शोर हैं?"

3. दो मुख्य लक्ष्य

लक्ष्य A: स्टैंडर्ड मॉडल की जाँच (द "कंट्रोल ग्रुप")
सबसे पहले, उन्होंने जाँच की कि क्या ब्रह्मांड बिल्कुल वैसा ही व्यवहार करता जैसा कि स्टैंडर्ड मॉडल (भौतिकी की वर्तमान नियम पुस्तिका) भविष्यवाणी करता है।

परिणाम: उन्हें वे घटनाएँ मिलीं, लेकिन संख्याएँ नियम पुस्तिका से पूरी तरह मेल खाती थीं। कोई आश्चर्य नहीं था। यह केक बनाने की रेसिपी की जाँच करने जैसा है और यह देखना कि उसका स्वाद ठीक वैसा ही है जैसा निर्देशों में बताया गया था। यह अच्छी खबर है क्योंकि यह साबित करता है कि उनका "कैमरा" और "बाउंसर" सही ढंग से काम कर रहे हैं।

लक्ष्य B: नई भौतिकी की खोज (द "ट्रेजर हंट")
इसके बाद, उन्होंने उस चीज़ की तलाश की जिसकी भविष्यवाणी नियम पुस्तिका नहीं करती है। वे भारी, अदृश्य "रेजोनेंस" (जैसे एक भारी ढोल जो कंपन करता है और फिर टूट जाता है) की तलाश कर रहे थे।

स्पिन-0 रेजोनेंस: उन्होंने एक भारी कण की तलाश की जो दो Z बोसॉन में विभाजित होता है।
स्पिन-1 रेजोनेंस: उन्होंने एक भारी कण की तलाश की जो एक Z और एक हिग्स बोसॉन में विभाजित होता है।
परिणाम: उन्हें कुछ भी नहीं मिला। डेटा में कोई नए भारी कण छिपे हुए नहीं मिले।

उपमा: कल्पना कीजिए कि वे जंगल में दबे हुए एक छिपे हुए खजाने (नई भौतिकी) की तलाश कर रहे थे। उन्होंने उन सभी जगहों की खुदाई की जहाँ मानचित्र (स्टैंडर्ड मॉडल) ने कहा था कि एक खजाना हो सकता है, और उन्होंने उन जगहों की भी खुदाई की जहाँ मानचित्र ने कहा था कि खजाना नहीं होना चाहिए। उन्हें मिट्टी के अलावा कुछ नहीं मिला। इसका मतलब है कि, जिस सीमा तक उन्होंने देखा, वहां कोई नया भारी कण छिपा हुआ नहीं है।

4. यह क्यों मायने रखता है (बिना किसी परिणाम के भी)

आप सोच सकते हैं, "यदि उन्हें कुछ नहीं मिला, तो वे पेपर क्यों लिख रहे हैं?"

सीमाएं निर्धारित करना: कुछ न पाकर, उन्होंने रेत पर एक रेखा खींच दी। अब वे 95% विश्वास के साथ कह सकते हैं: "यदि कोई नया भारी कण मौजूद है, तो वह X से भारी होगा या Y से हल्का होगा, या यह हमारी सोच से अलग तरह से इंटरैक्ट करेगा।" यह भविष्य के वैज्ञानिकों को बताता है कि उन्हें कहाँ नहीं देखना चाहिए, जिससे उनका समय बचता है।
पद्धति को सिद्ध करना: यह पहली बार था जब किसी ने इस विशिष्ट तरीके से इन विशिष्ट कण संयोजनों (b-क्वार्क्स और ताऊ में टूटने वाले Z और हिग्स) को देखने की कोशिश की थी। यह एक नए, धुंधले पहाड़ी दर्रे में नेविगेट करने की पहली कोशिश करने वाले व्यक्ति की तरह है। भले ही उन्हें सोना नहीं मिला, लेकिन उन्होंने साबित कर दिया कि रास्ता पार करने योग्य है और इलाके का नक्शा बनाया जा सकता है। यह "अभ्यास सत्र" भविष्य की, और भी कठिन खोजों (जैसे हिग्स के जोड़ों की तलाश) के लिए महत्वपूर्ण है।

सारांश

CMS टीम ने कणों के टकराव के एक विशाल स्नैपशॉट को लिया, शोर को फ़िल्टर करने के लिए AI का उपयोग किया, और दो विशिष्ट प्रकार के कणों के पदचिह्नों की तलाश की।

उन्होंने पुष्टि की कि ज्ञात कण (Z और हिग्स) बिल्कुल वैसे ही व्यवहार करते हैं जैसा अपेक्षित है।
उन्हें भौतिकी के नियमों को तोड़ने वाले किसी भी नए, भारी कण का कोई प्रमाण नहीं मिला।
उन्होंने इन कणों को देखने के लिए एक नया, संवेदनशील तरीका स्थापित किया, जो वैज्ञानिक समुदाय को भविष्य में नई भौतिकी की खोज को और अधिक सटीक बनाने में मदद करेगा।

संक्षेप में: उन्होंने मानचित्र की जाँच की, ज्ञात स्थलों को ठीक वहीं पाया जहाँ वे होने चाहिए थे, और पुष्टि की कि जिस "दानव" की वे तलाश कर रहे थे, वह इस विशेष भाग में नहीं छिपा है।

तकनीकी सारांश: $bb\tau\tau$ अंतिम अवस्था में $ZZ $और$ ZH$ उत्पादन का अध्ययन और उच्च-द्रव्यमान अनुनादों (High-Mass Resonances) की खोज

समस्या और प्रेरणा
हिग्स बोसोन ( $H$ ) की खोज ने मानक मॉडल (SM) की पुष्टि की है, फिर भी हिग्स स्व-युग्मन ( $\lambda$ ) जैसे महत्वपूर्ण पैरामीटर अभी भी अपरिभाषित हैं। हिग्स बोसोन युग्म ($HH $) उत्पादन का मापन$ \lambda $को सीमित करने का प्राथमिक मार्ग है।$ HH \to bb\tau\tau$ क्षय चैनल उच्च संवेदनशीलता प्रदान करता है, लेकिन इसे बड़े बैकग्राउंड और जटिल पुनर्निर्माण जैसी महत्वपूर्ण प्रयोगात्मक चुनौतियों का सामना करना पड़ता है। हाई-ल्युमिनोसिटी LHC (HL-LHC) के लिए विश्लेषण रणनीतियों को परिष्कृत करने और $HH \to bb\tau\tau$ खोजों की मजबूती में सुधार करने के लिए, उन SM प्रक्रियाओं का अध्ययन करना आवश्यक है जो समान टोपोलॉजिकल विशेषताओं को साझा करती हैं। $bb\tau\tau$ अंतिम अवस्था में एक $Z$ बोसोन और एक $Z$ बोसोन ($ZZ $) या एक$ Z $बोसोन और एक हिग्स बोसोन ($ ZH $) का संबद्ध उत्पादन एक आदर्श बेंचमार्क के रूप में कार्य करता है। ये प्रक्रियाएं$ HH $खोज के समान प्रयोगात्मक चुनौतियों को साझा करती हैं, लेकिन इनके क्रॉस सेक्शन काफी अधिक हैं ($ ZZ $के लिए लगभग 64 गुना और$ ZH$ के लिए 2.2 गुना अधिक)। इसके अलावा, ये चैनल भौतिकी के मानक मॉडल से परे (BSM) की जांच करने, विशेष रूप से भारी स्पिन-0 अनुनादों ( $X$ ) जो $ZZ $में क्षय होते हैं और स्पिन-1 अनुनादों ($ Z' $) जो$ ZH$ में क्षय होते हैं, की खोज करने का एक अनूठा अवसर प्रदान करते हैं, जो सिंगलेट मॉडल, टू-हिग्स-डबलेट मॉडल, या वॉर्प्ड एक्स्ट्रा डायमेंशन जैसे विस्तारों से उत्पन्न हो सकते हैं।

कार्यप्रणाली
यह विश्लेषण CMS प्रयोग द्वारा $\sqrt{s} = 13$ TeV पर एकत्र किए गए प्रोटॉन-प्रोटॉन टकराव डेटा का उपयोग करता है, जो 138 fb $^{-1}$ (2016–2018) के एकीकृत ल्युमिनोसिटी के अनुरूप है। अध्ययन तीन विशिष्ट अंतिम अवस्थाओं को लक्षित करता है:

$ZZ \to bb\tau\tau$ (जिसे $ZbbZ\tau\tau$ कहा जाता है)
$ZH \to (Z \to bb)(H \to \tau\tau)$ (जिसे $ZbbH\tau\tau$ कहा जाता है)
$ZH \to (Z \to \tau\tau)(H \to bb)$ (जिसे $Z\tau\tau Hbb$ कहा जाता है)

घटना पुनर्निर्माण और चयन:

टौ (Tau) क्षय मोड: विश्लेषण तीन $\tau\tau$ क्षय मोडों पर विचार करता है: $\tau_\mu\tau_h$ , $\tau_e\tau_h$ , और $\tau_h\tau_h$ , जो 87.6% संभावित $\tau\tau$ क्षयों को कवर करते हैं।
काइनेमैटिक शासन (Kinematic Regimes): घटनाओं को $\tau\tau$ $τ τ$ और $bb$ सिस्टम के लोरेन्ट्ज़ बूस्ट के आधार पर "रिज़ॉल्व्ड" (resolved) और "बूस्टेड" (boosted) श्रेणियों में वर्गीकृत किया गया है।
- रिज़ॉल्व्ड: AK4 जेट्स ( $R=0.4$ ) और मानक आइसोलेशन मानदंडों का उपयोग करता है।
- बूस्टेड: AK8 जेट्स ( $R=0.8$ ) और संहत (collimated) वस्तुओं के लिए समर्पित पुनर्निर्माण एल्गोरिदम का उपयोग करता है।
ऑब्जेक्ट पहचान:
- जेट्स: AK4 जेट्स की पहचान DEEPJET एल्गोरिदम (मीडियम वर्किंग पॉइंट) का उपयोग करके की जाती है। AK8 जेट्स की पहचान PARTICLENET एल्गोरिदम (लो-प्योरिटी वर्किंग पॉइंट) का उपयोग करके की जाती है ताकि $Z/H \to bb$ क्षयों को टैग किया जा सके।
- टौ (Taus): कॉलेक्टर (hadronic) टौ उम्मीदवारों को HPS एल्गोरिदम का उपयोग करके पुनर्निर्मित किया जाता है और DEEPTAU (रिज़ॉल्व्ड) या BOOSTEDDEEPTAU (बूस्टेड) एल्गोरिदम का उपयोग करके पहचाना जाता है।
- लेप्टोन: इलेक्ट्रॉन और म्यूऑन को मानक CMS मानदंडों के साथ पुनर्निर्मित किया जाता है, जिसमें बूस्टेड शासन के लिए विशिष्ट आइसोलेशन समायोजन शामिल हैं।
वर्गीकरण: घटनाओं को $\tau\tau$ क्षय चैनल (3) और पुनर्निर्माण शासन ($bb$ resolved 1b, resolved 2b, boosted $bb$-resolved $\tau\tau$ , boosted $bb$-boosted $\tau\tau$ ) के आधार पर 12 परस्पर अनन्य (mutually exclusive) श्रेणियों में वर्गीकृत किया गया है।
मास पुनर्निर्माण: $\tau\tau$ सिस्टम के इनवेरिएंट मास ( $m_{\tau\tau}$ ) को FASTMTT एल्गोरिदम का उपयोग करके पुनर्निर्मित किया जाता है, जो कोलीनियर सन्निकटन (collinear approximation) और मिसिंग ट्रांसवर्स मोमेंटम ( $p_T^{miss}$ ) का उपयोग करता है। $bb $मास ($ m_{bb} $) को डाइजेट इनवेरिएंट मास (रिज़ॉल्व्ड) या सॉफ्ट-ड्रॉप ग्रूम्ड मास (बूस्टेड) से प्राप्त किया जाता है। सिग्नल उम्मीदवारों को चुनने के लिए$ (m_{bb}, m_{\tau\tau})$ प्लेन में एक एलिप्टिकल चयन लागू किया जाता है।

बैकग्राउंड मॉडलिंग और सिग्नल निष्कर्षण:

बैकग्राउंड: प्रमुख बैकग्राउंड टॉप क्वार्क पेयर प्रोडक्शन ( $t\bar{t}$ ) और ड्रेल्स-यान ( $Z/\gamma^* \to \ell\ell, \tau\tau$ ) प्रक्रियाएं हैं। QCD मल्टीजेट बैकग्राउंड का अनुमान ABCD विधियों का उपयोग करके डेटा-संचालित (data-driven) तरीके से लगाया जाता है। अन्य योगदान (सिंगल टॉप, $W$ +jets, डिबोसन्स) को मोंटे कार्लो (MC) सिमुलेशन का उपयोग करके मॉडल किया जाता है।
सिग्नल निष्कर्षण: सिग्नल को बैकग्राउंड से अलग करने के लिए डीप न्यूरल नेटवर्क (DNNs) को प्रशिक्षित किया जाता है।
- नॉन-रेजोनेंट: प्रत्येक SM प्रक्रिया ($ZZ$, $ZbbH$, $Z\tau\tau H$ ) के लिए समर्पित DNNs को प्रशिक्षित किया जाता है।
- रेजोनेंट: एक पैरामीटराइज्ड न्यूरल नेटवर्क को अनुनादी खोजों ( $X \to ZZ$ , $Z' \to ZH$ ) के लिए प्रशिक्षित किया जाता है, जिसमें एक द्रव्यमान रेंज में मॉडल-स्वतंत्र सीमाएं प्राप्त करने के लिए अनुनाद द्रव्यमान को एक इनपुट पैरामीटर के रूप में उपयोग किया जाता है।
सांख्यिकीय विश्लेषण: सभी श्रेणियों और चैनलों में DNN आउटपुट वितरणों पर एक बिन्ड मैक्सिमम लाइकलीहुड फिट (binned maximum likelihood fit) किया जाता है। व्यवस्थित अनिश्चितताओं (ल्युमिनोसिटी, ऑब्जेक्ट आइडेंटिफिकेशन/एनर्जी स्केल, सैद्धांतिक क्रॉस सेक्शन, PDFs, और MC सांख्यिकी) को नज़िएंस पैरामीटर्स (nuisance parameters) के रूप में माना जाता है।

प्रमुख योगदान और परिणाम

प्रथम मापन: यह कार्य $ZZ \to bb\tau\tau$ और $ZH \to bb\tau\tau$ प्रक्रियाओं के पहले मापन प्रस्तुत करता है।
SM मापन:
- $ZZ \to bb\tau\tau$ के लिए सिग्नल स्ट्रेंथ ( $\mu$ ) को $0.10^{+0.70}_{-0.68}(\text{stat})^{+0.83}_{-0.84}(\text{syst})$ के रूप में मापा गया है।
- $ZH \to bb\tau\tau$ के लिए सिग्नल स्ट्रेंथ को $-1.4^{+1.2}_{-1.1}(\text{stat}) \pm 1.0(\text{syst})$ के रूप में मापा गया है।
- दोनों परिणाम स्टैंडर्ड मॉडल भविष्यवाणियों के अनुरूप हैं।
- 95% विश्वास स्तर (CL) पर उत्पादन क्रॉस सेक्शन पर ऊपरी सीमाएं निर्धारित की गई हैं, जो $ZZ$ के लिए 300 pb से 24 fb और $ZH$ के लिए 0.4 pb से 12 fb तक हैं।
अनुनादी खोज (Resonant Searches):
- 200 GeV – 5 TeV द्रव्यमान रेंज में भारी स्पिन-0 अनुनादों ( $X \to ZZ$ ) और 500 GeV – 6 TeV रेंज में स्पिन-1 अनुनादों ( $Z' \to ZH$ ) के लिए खोज की जाती है।
- SM अपेक्षाओं से कोई महत्वपूर्ण विचलन नहीं देखा गया है।
- द्रव्यमान रेंज में $\sigma(X)\mathcal{B}(X \to ZZ)$ और $\sigma(Z')\mathcal{B}(Z' \to ZH)$ पर ऊपरी सीमाएं निर्धारित की गई हैं।
संवेदनशीलता अनुमान (Sensitivity Projections): HL-LHC के लिए अनुमान बताते हैं कि यदि व्यवस्थित अनिश्चितताओं को कम किया जाता है, तो $\sim 1$ ab $^{-1}$ के साथ $ZZ \to bb\tau\tau$ के प्रमाण तक पहुँचा जा सकता है और $>2.5$ ab $^{-1}$ के साथ अवलोकन (observation) किया जा सकता है। $ZH \to bb\tau\tau$ प्रक्रिया अधिक चुनौतीपूर्ण बनी हुई है, जिसके लिए अवलोकन के लिए विश्लेषण विधियों और बैकग्राउंड मॉडलिंग में पर्याप्त सुधार की आवश्यकता होगी।

महत्व
यह शोध पत्र $ZZ/ZH \to bb\tau\tau$ प्रक्रियाओं को $bb\tau\tau$ अंतिम अवस्था के लिए एक व्यवहार्य "स्टैंडर्ड कैंडल" के रूप में स्थापित करता है। यह प्रदर्शित करके कि इन ज्ञात प्रक्रियाओं के लिए विकसित विश्लेषण तकनीकों को सफलतापूर्वक लागू किया जा सकता है, यह अध्ययन गैर-अनुनादी हिग्स बोसोन युग्म उत्पादन ( $HH \to bb\tau\tau$ ) के भविष्य के अवलोकन के लिए आवश्यक रणनीतियों को मान्य करता है। परिणाम $bb\tau\tau$ विशिष्ट अंतिम अवस्था में $ZZ $और$ ZH $उत्पादन पर पहले प्रयोगात्मक प्रतिबंध लगाते हैं और तीसरे पीढ़ी के फर्मियॉन्स के साथ कपलिंग में संभावित वृद्धि की जांच करते हुए इन अवस्थाओं में क्षय होने वाले भारी अनुनादों पर पहली सीमाएं निर्धारित करते हैं। विश्लेषण पुष्टि करता है कि जबकि$ ZZ \to bb\tau\tau $प्रक्रिया अपने बड़े क्रॉस सेक्शन के कारण$ HH \to bb\tau\tau$ की तुलना में अवलोकन के लिए अधिक सुलभ मार्ग प्रदान करती है, फिर भी यह महत्वपूर्ण बैकग्राउंड चुनौतियों के अधीन है जिन्हें HL-LHC डेटासेट का पूर्ण लाभ उठाने के लिए संबोधित किया जाना चाहिए।

1. मिशन: "घोस्ट" (भूतिया) कणों की खोज

2. रणनीति: शोर को छाँटना

3. दो मुख्य लक्ष्य

4. यह क्यों मायने रखता है (बिना किसी परिणाम के भी)

सारांश

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